Световая микроскопия углеродистых сталей

Структура стали

Известно, что сталь обладает широчайшим разнообразием свойств и характеристик. Это происходит потому, что стали – это железоуглеродистые сплавы, которые богаты на типы и виды микроструктур. Эти разнообразные микроструктуры образуются при различном содержании углерода, а также различных режимах термической и термомеханической обработки.

Чтобы описать эти микроструктуры необходимо, во-первых, идентифицировать существующие различные фазы и смеси фаз и, во-вторых, определить их пропорции и распределение. В настоящее время имеется большое количество методов для определения этих различных параметров. Каждый из этих методов имеет свое конкретное назначение и применяется для полного описания микроструктуры.

Световая микроскопия в металлургии

Рабочей лошадью металлургии – неприхотливым мощным тяжеловозом – без сомнения, является световая микроскопия. Кстати, термин «световая микроскопия» является более предпочтительным, чем нередко применяемый термин «оптическая микроскопия». Это справедливо закреплено в ГОСТ 28489–90 «Световая микроскопия. Термины и определения», так вполне логично согласуется, например, с термином «электронная микроскопия». Потому что сама по себе оптика, как мы знаем, может быть и «световой», и «электронной», и даже «рентгеновской».  И, если уж совсем строго говорить, то тот инструмент, который применяют в металлографии, правильнее было бы называть даже так: «микроскоп в отраженном свете».

Световой микроскоп, так или иначе, применяют все металлографы или, как чаще у нас говорят, металловеды. Действительно, его можно найти практически в любой лаборатории почти любого промышленного, и уж тем более металлургического – малого и крупного – предприятия.

Значение термина «микроскопия» естественным образом вытекает из его названия, а именно – «наблюдение и описание структур с помощью микроскопа». Однако, это означает само по себе только цель. Эта цель заключается в том, чтобы понять:

  • каким образом эти структуры сформировались;
  • какие факторы управляли формированием структур и
  • как эти структуры связаны с физическими и механическими свойствами стали.

Идентификация фаз в стали

Обычно на световых микрофотографиях углеродистой стали хорошо видно распределение характерных фаз, однако эти фазы нельзя на 100 % идентифицировать. Такая идентификация производится на основании более сложных методов, таких как электронная или рентгеновская дифракция, химический анализ, электронный микроанализ, а также данных диаграммы состояния изучаемого сплава – стали.

В большинстве случаев идентификация фаз основана на многолетнем опыте металлографии и не требует дополнительных исследований. В тех случаях, когда классическая интерпретация фаз не настолько очевидна или когда возникают сомнения, для их надежной идентификации применяют дополнительные методы исследований, такие как электронная или рентгеновская микроскопия, химический анализ, а также диаграммы состояния рассматриваемых типов сталей.

Особенности обыкновенных углеродистых сталей

Определимся с тем, какие стали мы называем «углеродистыми сталями». Термин «сталь» обычно означает сплав на основе железа, содержащий углерод в количестве до 2 %. Однако сплавы, которые содержат очень малое количество углерода, например, менее 0,1 %, лучше бы называть просто марками железа, как это делают с технически чистым алюминием в алюминиевой промышленности.

Обыкновенными углеродистыми сталями обычно называют стали, которые содержат кроме углерода только примеси всех других химических элементов.  Однако, это не относится к кремнию и алюминию, которые «пришли» в сталь при ее раскислении, а также марганцу и церию, которые вводят в сталь для противодействия вредному влиянию фосфора. Содержание кремния и марганца в этих сталях может достигать 0,60 % для кремния и 1,65 % для марганца и это считается приемлемым.

Промышленные углеродистые стали всегда содержат в малых, но заметных количествах кислород и азот в зависимости от метода выплавки стали. Некоторые другие элементы специально добавляют в сталь для придания специальных свойств. Например, фосфор добавляют в низкоуглеродистые стали для улучшения их механической обработки на металлорежущих станках.

Стальной образец для светового микроскопа

Исследование металлов под световым микроскопом требует:

  • чтобы был вырезан образец,
  • чтобы поверхность образца была приготовлена так, чтобы она хорошо отражала свет,
  • чтобы эта поверхность была должным образом протравлена для выявления интересующей нас структуры.

Критическим требованием к подготовке поверхности является то, что бы подготовленная для микроскопии поверхность была идентична соответствующему сечению изделия до вырезки образца. Для этого, во-первых, механические методы вырезки образцов не должны влиять на структуру этой поверхности. Во-вторых, для травления поверхности должны применяться отработанные и однозначные травители и методики их применения.

От плоской картинки к трехмерной структуре

При изучении плоского сечения под световым микроскопом необходимо постоянно помнить, что это сечение может быть не совсем строго плоским. Кроме того, по результатам микроскопического исследования этой двумерной плоской «картинки» обычно пытаются представить трехмерную морфологию структуры металла. При этом нередко возникают досадные ошибки. Например, при описании фаз, которые имеют в данном сечении удлиненную форму, применяют термин «игольчатая», хотя в другой плоскости реза эта структура может выглядеть совсем по-другому.